基于压缩式制冷循环的水合物海水淡化系统

摘要

本发明提供一种基于压缩式制冷循环的海水淡化系统，其特征在于，包括：水合物海水淡化装置，使海水和水合剂进行水合反应生成水合物浆并将该水合物浆分解得到淡水和水合剂；淡水提取装置，与水合物海水淡化装置相连，用于收集淡水；以及水合剂循环装置，分别与水合物海水淡化装置和淡水提取装置换热，将水合剂回收，并提供给水合物海水淡化装置。本发明所涉及的基于压缩式制冷循环的海水淡化系统，不仅实现了水合剂气体的循环利用，也能够按照需要使水合剂与水合物海水淡化装置和淡水提取装置换热，保证该海水淡化系统可以连续地提取出淡水，无需额外配置供能装置和制冷装置，从而降低能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及海水淡化领域，具体涉及一种采用压缩式制冷循环的 水合物海水淡化系统。

背景技术

水，是生命的源泉。淡水是人类社会赖以生存和发展的物质基础 之一。随着经济社会的发展和人们生活水平的提高，人们对淡水资源 的需求极大，而淡水只占地球上总水量的2.5％～3％，这就使得人们 面临淡水资源短缺的局面。而且由于我国淡水资源时空分布不均，人 口分布不均，社会经济发展不平衡等原因，造成我国部分地区淡水资 源严重紧缺。开发海水资源，进行海水淡化，是增加淡水资源的有效 途径，也是解决缺水问题的必由之路。

目前世界上除了河流取水外还有地下取水、远程调水等获取淡水 的方式。海水淡化也将作为常用的淡水取用方式之一。已有的通过海 水淡化得到淡水的方法包括反渗透法、蒸馏法和电渗法。反渗透法需 要人工加压，蒸馏法和电渗法需要用电加热和产生电场，这些方法存 在的共同缺点在于能耗高，使得海水淡化获得淡水的成本很高，严重 制约了这些方法在实际生产中的推广。

水合物海水淡化是利用水合剂气体分子与海水中的水分子在一 定条件下生成水合物浆，由循环泵抽到水合物分解器中吸热分解、分 解出的液态水在冷却器中受热蒸发成水蒸气、水蒸气在淡水凝结器中 放热冷却最后得到淡水。水合物法海水淡化的最大优点是能耗低、设 备简单、维修运行成本低；水合剂气体在水或盐水中的溶解度低，无 毒，廉价易得，无爆炸危险。另外，它还具有冷冻法的一些优点如不 需要对海水进行预处理、腐蚀较轻等。

水合物具有以下特征：(1)水合物生成和分解过程完全互逆，生 成水合物的原材料只有气体和水，分解后的剩余产物也只有气体和 水，对环境没有污染，而且水在自然界中大量存大并价格低廉；(2) 水合物形成和分解的温度压力条件相对温和。水合物浆在常压下是一 种类似冰浆的固液两相悬浮液，是由一些细小的微粒状笼型水合物和 水溶液组成，在5～12℃温度范围内具有很高的热量密度，在常压和 低压工况下就可以生成。

专利号为200910214077.8的发明专利公开了一种利用液态天然 气(LNG)冷能进行海水淡化的系统，包括有城镇供水系统、城镇供 气系统、LNG装卸和储存系统、水合物海水淡化系统、以及海水提 取系统。该海水系统对LNG冷能利用率高，经济效益高，投资成本 小，对环境的影响。但其缺点也是明显的，即海水淡化依赖于LNG 冷能，故该海水淡化系统只能建在LNG接收站周围，限制了该海水 淡化系统的推广应用。

另外，专利号为201110134047.3的发明专利中公开了一种海水淡 化的方法，该方法需要在水合反应前对海水进行冷却，因而需要额外 配置冷却水系统，增加了设备的复杂性，并提高能耗。

发明内容

本发明是针对上述课题进行的，目的在于提供一种结构简单，无 需额外配备供能或制冷装置的海水淡化系统。

本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案：

本发明提供一种基于压缩式制冷循环的海水淡化系统，其特征在 于，包括：水合物海水淡化装置，使海水和水合剂进行水合反应生成 水合物浆并将该水合物浆分解得到淡水和水合剂；淡水提取装置，与 水合物海水淡化装置相连，用于收集淡水；以及水合剂循环装置，分 别与水合物海水淡化装置和淡水提取装置换热，将水合剂回收，并提 供给水合物海水淡化装置，其中，水合物海水淡化装置包括：用于使 水合剂和海水进行水合反应生成水合物浆的水合物生成釜；出口端与 该水合物生成釜相连通，将海水抽入水合物生成釜的海水泵；入口端 与该水合物生成釜相连通的循环泵；以及与该循环泵的出口端相连通 的水合物分解器，水合物生成釜具有不锈钢的本体；位于该本体的侧 面下方，与海水泵的出口端相连通的海水入口；位于本体的侧面上方， 与循环泵的入口端相连通的水合物出口；位于本体底部，用于排出水 合反应后留下的浓海水的浓海水出口；以及位于本体底部的水合剂入 口，淡水提取装置包括：入口端与水合物分解器的底部相连通，将水 合物浆分解得到的淡水送出的第一水管；连接在该第一水管中部的第 一节流阀；底部与第一水管的出口端相连通的换热器；入口端与该换 热器的顶部相连通的第二水管；连接在该第二水管中部的第二节流 阀；侧面下方与第二水管的出口端相连通，使淡水蒸发成水蒸气的冷 却器；入口端与冷却器的顶部相连通，将水蒸气送出的第一气体管； 以及与该第一气体管的出口端相连通，使水蒸气液化成液态淡水的淡 水凝结器，水合剂循环装置包括：入口端与水合物分解器的顶部相连 通，使水合物浆分解得到的水合剂流出，中部通过淡水凝结器使水合 剂吸收淡水凝结器中的热量的第二气体管；入口端与该第二气体管的 出口端相连通的干燥器；入口端与该干燥器的出口端相连通，压缩水 合剂使水合剂升温的压缩机；入口端与该压缩机的出口端相连通，依 次通过冷却器和水合物分解器，使水合剂在冷却器和水合物分解器中 放热的第三气体管；底部与该第三气体管的出口端相连通的水合剂气 液分离器；连接在第三气体管上，位于冷却器和水合物分解器之间， 使水合剂降温降压的第三节流阀；连接在第三气体管上，位于水合物 分解器和水合剂气液分离器之间，使水合剂降温降压的第四节流阀； 以及入口端与水合剂气液分离器的顶端相连通，使水合剂气液分离器 中分离出的气态水合剂流出，中部通过换热器，使水合剂在换热器中 吸热，出口端与干燥器的入口端相连通的第四气体管。

进一步，本发明所涉及的基于压缩式制冷循环的海水淡化系统， 还可以具有这样的特征：其中，水合剂是CO₂和C₃H₈中的至少一种。

发明的作用与效果

本发明所涉及的基于压缩式制冷循环的海水淡化系统，因为采用 压缩机使水合剂气体升温，分别为液态水蒸发成水蒸气和水合物分解 提供热量；用水合物分解得到低温水合剂吸收水蒸气的热量，使其凝 结成液态淡水；采用节流阀使水合剂气体温度降低，凝结成液态水合 剂来吸收水合反应热，因此不仅实现了水合剂气体的循环利用，也能 够按照需要使水合剂与水合物海水淡化装置和淡水提取装置换热，保 证该海水淡化系统可以连续地提取出淡水，无需额外配置供能装置和 制冷装置，从而降低能耗。

另外，因为采用水合物浆作为载体将水合物输送到水合物分解器 中，因此避免了固态水合物堵塞管道系统的危险。

附图说明

图1是海水淡化系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的基于压缩式制冷循环的海水淡 化系统作详细阐述。

实施例

图1是海水淡化系统的结构示意图。

如图1所示，海水淡化系统10包括水合物海水淡化装置11、淡 水提取装置12以及水合剂循环装置13。

水合物海水淡化装置11用于使海水和水合剂进行水合反应生成 水合物浆并将该水合物浆分解得到淡水和水合剂。水合物海水淡化装 置11包括海水泵14、水合物生成釜15、循环泵16、水合物分解器 17。

海水泵14的入口端连接海水(图中未示出)，出口端连接水合物 生成釜15。

水合物生成釜15具有不锈钢本体18、海水入口19、水合物出口 20、浓海水出口21、以及水合剂入口22。海水入口19位于本体18 的侧面下方，与海水泵14的出口端连通。水合物出口20位于本体 18的侧面上方，与循环泵16的入口端相连通。浓海水出口21位于 本体18底部，与第一阀门23相连。水合剂入口22位于本体18底部， 与水合物循环装置13相连。

循环泵16的入口端与水合物生成釜15的水合物出口20相连通， 出口端与水合物分解器17相连通。

水合物分解器17的侧面上方与循环泵16的出口端相连通，顶部 与水合物循环装置13相连通，底部与淡水提取装置12相连通。

如图1所示，淡水提取装置12用于收集淡水，包括第一水管24、 第一节流阀25、换热器26、第二水管27、第二节流阀28、冷却器 29、第一气体管30、淡水凝结器31、以及水泵32。

第一水管24的入口端与水合物分解器17的底部相连通，第一水 管24的中部连接有第一节流阀25。换热器26的入口端与第一水管 24的出口端相连通，出口端与第二水管27的入口端相连通。第二水 管27的中部连接有第二节流阀28。冷却器29的底部入口端与第二 水管27的出口端相连通，顶部的出口端与第一气体管30的入口端相 连通，冷却器29底部还连接有第二阀门33。第一气体管30的出口 端与淡水凝结器31顶部的入口端相连通。淡水凝结器31底部的出口 端与水泵32相连。

如图1所示，水合剂循环装置13用于与水合物海水淡化装置11 和淡水提取装置12换热，并将水合剂气体回收利用。水合剂循环装 置13包括第二气体管34、干燥器35、压缩机36、第三气体管37、 水合物气液分离器38、第三节流阀39、第四节流阀40、以及第四气 体管41。

第二气体管34入口端与水合物分解器17顶部的出口端相连通， 第二气体管34通过淡水凝结器31，在淡水凝结器31内部为螺旋结 构。干燥器35的入口端与第二气体管34的出口端相连通。压缩机 36的入口端与干燥器35的出口端相连通。

第三气体管37的入口端与压缩机36的出口端相连通，第三气体 管37依次通过冷却器29和水合物分解器17，在冷却器29和水合物 分解器17内的部分均为螺旋结构。

水合物气液分离器38的入口端与第三气体管37的出口端相连 通，出口端与水合物浆生成釜15的水合剂入口22相连通。

第三节流阀39连接在第三气体管37上，位于冷却器29和水合 物分解器17之间。第四节流阀40连接在第三气体管37上，位于水 合物分解器17和水合物气液分离器38之间。

第四气体管41的入口端与水合物气液分离器38顶部的出口气相 连通，出口端与干燥器35的入口端相连通，第四气体管41通过换热 器26，在换热器26内的部分为螺旋结构。

在采用海水淡化系统10淡化海水时，操作者首先打开海水泵14， 将海水(图中未示出)通过海水入口19抽入水合物生成釜15，然后 通过水合剂入口22向水合物生成釜15中送入低温的水合剂液体，海 水和水合剂反应生成水合物浆。采用循环泵16将位于水合物生成釜 15上层的水合物浆通过水合物出口20抽出，送入水合物分解器17， 打开第一阀门23将水合物生成釜15中反应剩余的浓海水排出。水合 物浆在水合物分解器17中吸热分解，得到水合剂和高压水。

第一水管24将水合物分解器17中水合物浆分解得到的高压水导 出，第一节流阀25通过节流作用使该高压水降压；降压后的水进入 换热器26，在换热器26中放热降温；然后通过第二水管27流出， 经过第二节流阀28进一步降压得到低压水；低压水被第二水管27送 入冷却器29，在冷却器29中吸热蒸发得到水蒸气；水蒸气被第一气 体管30导入淡水凝结器31，在淡水凝结器31中液化成液态淡水； 采用水泵32将该液态淡水抽出。

水合物分解器17中水合物浆分解生成的水合剂气体从第二气体 管34排出，通过淡水凝结器31，低温的水合剂在淡水凝结器31中 吸热，使淡水凝结器31中的水蒸气遇冷凝结成液态淡水。升温后的 水合剂进入干燥器35，被干燥器35干燥后的水合剂气体进入压缩机 36，在压缩机36的压缩作用下升温升压。高温高压的水合剂气体进 入第三气体管37，通过冷却器29，在冷却器29中放热，使冷却器 29中的低压水吸热蒸发成水蒸气。水合剂气体通过冷却器29后被第 三节流阀39降压，然后通过水合物分解器17，在水合物分解器17 中放热，使水合物浆受热分解成高压水和水合剂气体，该水合剂气体 从水合物分解器17顶部的出口端进入第二气体管34，进行再次循环。 第三气体管37中的水合剂气体通过水合物分解器17后被第四节流阀 40节流，从而降温降压形成气液两相流，并进入水合剂气液分离器 38。

气液两相的水合剂在水合剂气液分离器38中分离，液态的水合 剂从水合物生成釜15的水合剂入口22流入水合物生成釜15，液态 的水合剂吸收水合反应热蒸发成水合剂气体，从而降低水合物生成釜 15内的温度，该水合剂气体与海水充分混合生成水合物浆。气液两 相流中的水合剂气体从水合剂气液分离器38顶部的出气口进入第四 气体管41，通过换热器26时在其中吸热，使换热器26中的水放热 降温。第四气体管41中的水合剂气体通过换热器26后与第二气体管 34中的水合剂气体汇合，通过干燥器35和压缩机36后依次通过冷 却器29、第三节流阀39、水合物分解器17、第四节流阀40后变成 气液两相流进入水合剂气液分离器38，进行再一次循环。

实施例的作用与效果

本实施例所涉及的基于压缩式制冷循环的海水淡化系统，利用水 合剂气液分离器38中分离出的液态水合剂吸收水合物生成釜15中的 水合反应热，并降低水合物生成釜15中的温度，液态水合剂吸热蒸 发成水合剂气体，与海水反应生成水合物浆，从而保证水合反应的连 续进行；水合物分解器17中水合物浆分解生成的低温水合剂气体在 淡水凝结器31中吸热，从而使水蒸气凝结成液态淡水；该水合剂气 体和水合剂气液分离器38中分离出的水合剂气体汇合后被压缩机压 缩升温，依次在冷却器29和水合物分解器17中放热，提供冷却器 29中液态水蒸发和水合物分解器17中水合物分解所需的热量，水合 剂气体进入水合剂气液分离器38中，进行重复利用。因此，该海水 淡化系统不仅可以对水合剂进行多次循环利用，也可以利用水合剂气 体的吸热或放热来保证水合物海水淡化装置11和淡水提取装置12的 正常运行，无需额外配置冷却水装置或供能装置，使该海水淡化系统 结构简单，能耗低，具有很强的工业应用性。

另外，该海水淡化系统中采用的水合剂气体取材简单，节能环保； 采用固液两相的水合物浆作为载体输送水合物，从而避免了固态水合 物堵塞管道。

当然，本发明所涉及的基于压缩式制冷循环的海水淡化系统并不 仅仅限定于以上实施例中所述的结构。以上仅为本发明构思下的基本 说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发 明的保护范围。